Slechts enkele maanden na het vestigen van een record voor het detecteren van het kleinste afzonderlijke virus in oplossing, onderzoekers van het Polytechnic Institute of New York University (NYU-Poly) hebben een nieuwe doorbraak aangekondigd:ze gebruikten een nano-versterkte versie van hun gepatenteerde microcavity-biosensor om een ​​enkel kankermarkereiwit te detecteren, dat een zesde zo groot is als het kleinste virus, en zelfs kleinere moleculen onder de massa van alle bekende markers. Deze prestatie verbrijzelt het vorige record, het instellen van een nieuwe benchmark voor de meest gevoelige detectielimiet, en kan de vroege diagnostiek van ziekten aanzienlijk bevorderen. In tegenstelling tot de huidige technologie, die een fluorescerend molecuul hecht, of etiket, aan het antigeen om het zichtbaar te maken, het nieuwe proces detecteert het antigeen zonder een storend label.

Stephan Arnold, universiteitshoogleraar toegepaste natuurkunde en lid van het Othmer-Jacobs Department of Chemical and Biomolecular Engineering, gepubliceerde details van de prestatie in Nano-letters , een publicatie van de American Chemical Society.

In 2012, Arnold en zijn team konden in oplossing het kleinste bekende RNA-virus detecteren, MS2, met een massa van 6 attogrammen. Nutsvoorzieningen, met experimenteel werk van postdoctoraal fellow Venkata Dantham en oud-student David Keng, twee eiwitten zijn gedetecteerd:een humaan kankermarkereiwit genaamd Thyroglobuline, met een massa van slechts 1 attogram, en de rundervorm van een gemeenschappelijk plasma-eiwit, serum albumine, met een veel kleinere massa van 0,11 attogram. "Een attogram is een miljoenste van een miljoenste van een miljoenste gram, " zei Arnoldus, "en we geloven dat onze nieuwe detectielimiet kleiner kan zijn dan 0,01 attogram."

Deze nieuwste mijlpaal bouwt voort op een techniek die is ontwikkeld door Arnold en medewerkers van NYU-Poly en Fordham University. In 2012, de onderzoekers vestigden het eerste meetrecord door een nieuwe biosensor te behandelen met plasmonische gouden nano-receptoren, waardoor het elektrische veld van de sensor wordt verbeterd en zelfs de kleinste verschuivingen in de resonantiefrequentie kunnen worden gedetecteerd. Hun plan was om een ​​medisch diagnostisch apparaat te ontwerpen dat in staat is om een ​​enkel virusdeeltje te identificeren in een point-of-care-omgeving, zonder het gebruik van speciale testpreparaten.

Destijds, het idee van het detecteren van een enkel eiwit - fenomenaal kleiner dan een virus - werd als het uiteindelijke doel naar voren gebracht.

"Eiwitten besturen het lichaam, " legde Arnold uit. "Als het immuunsysteem een ​​virus tegenkomt, het pompt enorme hoeveelheden antilichaameiwitten uit, en alle vormen van kanker genereren eiwitmarkers. Een test die een enkel eiwit kan detecteren, zou de meest gevoelige diagnostische test zijn die je je kunt voorstellen."

Tot verbazing van de onderzoekers onderzoek van hun nanoreceptor onder een transmissie-elektronenmicroscoop onthulde dat het oppervlak van de gouden schaal was bedekt met willekeurige bultjes die ongeveer zo groot waren als een eiwit. Computer mapping en simulaties gemaakt door Stephen Holler, ooit Arnold's student en nu assistent-professor natuurkunde aan Fordham University, toonde aan dat deze onregelmatigheden hun eigen zeer reactieve lokale gevoeligheidsveld genereren dat zich uitstrekt over enkele nanometers, het versterken van de mogelijkheden van de sensor tot ver buiten de oorspronkelijke voorspellingen. "Een virus is veel te groot om door dit veld geholpen te worden bij detectie, "Zei Arnold. "Eiwitten zijn maar een paar nanometer groot - precies de juiste maat om in deze ruimte te registreren."

De implicaties van de detectie van enkelvoudige eiwitten zijn aanzienlijk en kunnen de basis leggen voor verbeterde medische therapieën. Onder andere vorderingen, Arnold en zijn collega's stellen dat het vermogen om een ​​signaal in realtime te volgen - om daadwerkelijk getuige te zijn van de detectie van een enkel ziektemarkereiwit en de beweging ervan te volgen - nieuw begrip kan opleveren van hoe eiwitten zich hechten aan antilichamen.

Arnold noemde de nieuwe methode van labelloze detectie "fluistergalerij-mode biosensing" omdat lichtgolven in het systeem hem deden denken aan de manier waarop stemmen rondkaatsen in de fluistergalerij onder de koepel van St. Paul's Cathedral in Londen. Een laser stuurt licht door een glasvezel naar een detector. Wanneer een microbolletje tegen de vezel wordt geplaatst, bepaalde golflengten van licht maken een omweg naar de bol en stuiteren naar binnen, het creëren van een dip in het licht dat de detector ontvangt. Wanneer een molecuul zoals een kankermarker zich vastklampt aan een gouden nanoschaal die aan de microsfeer is bevestigd, de resonantiefrequentie van de microsfeer verschuift met een meetbare hoeveelheid.